КАТАЛИЗАТОРНОЕ ТЕЛО Российский патент 2003 года по МПК B01J35/04 

Изобретение относится к катализаторному телу, которое содержит множество обтекаемых в предпочтительном направлении каналов.

Катализаторы используют, например, для удаления окислов азота, углеводородов, окиси углерода и/или диоксинов из отходящего газа установки для сжигания. Подобные катализаторы могут быть выполнены в виде сотовых катализаторов. В случае сотового катализатора обычно предусмотрено имеющее форму сот катализаторное тело, которое имеет множество каналов, обтекаемых в предпочтительном направлении жидкостью и/или газом, например отходящим газом.

Подобный сотовый катализатор может быть предусмотрен для восстановления или для окисления вредных веществ. Предусмотренный в качестве DeNO_x-катализатора сотовый катализатор, например, восстанавливает по так называемому SCR-способу (способ селективного каталитического восстановления) при добавлении восстановителя окислы азота (NO_x) в азот (N₂) и воду (Н₂О). Известной SCR-активностью, однако, обладает также сотовый катализатор, выполненный в качестве диоксинного катализатора. Диоксинный катализатор окисляет молекулярным кислородом, например, полихлорированные дибензодиоксины/дибензофураны.

Для каталитической очистки стационарных или подвижных установок для сжигания или двигателей внутреннего сгорания используют сотовые катализаторы, тела которых имеют квадратичную геометрию каналов. Из DE 2819378 С2 известен сотовый катализатор с непрерывными ячейками, которые в основном имеют прямоугольную форму. При этом продольные стороны первой группы каналов расположены примерно перпендикулярно к продольным сторонам второй группы каналов. Количество каналов может составлять при этом 10/6,452 см². Также заявка на патент ФРГ DE 3713209 A1 раскрывает сотовое тело с примерно прямоугольным поперечным сечением каналов. Керамическое структурированное тело с сотовым телом, каналы которого имеют примерно прямоугольное поперечное сечение, кроме того, известно в принципе из книги "Дом техники" проф. др.-инж. Е. Штайнметц (издатель), издательство Вулкан Эссен (1992), с. 23.

В подобных катализаторных телах существует, конечно, опасность механического засорения сотовых отверстий летучей пылью. Для обеспечения надежной работы катализатора поэтому является необходимой регулярная, сравнительно трудоемкая очистка катализатора. Дополнительно при изготовлении подобных катализаторных тел существует проблема, что вследствие собственного напряжения катализаторных тел в процессе изготовления появляется образование трещин.

В основе изобретения лежит задача указать катализаторное тело вышеназванного вида, которое может особенно надежно эксплуатироваться при малых затратах на очистку. Также образования трещин в процессе изготовления катализаторного тела должны появляться особенно редко.

Эта задача решается за счет катализаторного тела вышеназванного вида, в котором каждый канал перпендикулярно к предпочтительному направлению имеет примерно прямоугольное поперечное сечение, определенное продольной стороной и более короткой по сравнению с ней поперечной стороной, причем количество каналов лежит в диапазоне от 0,5 до 2,5 см^-2, и продольные стороны первой группы каналов расположены примерно перпендикулярно к продольным сторонам второй группы каналов, и в котором согласно изобретению каналы объединены в подгруппы, причем каналы каждой подгруппы относительно их поперечного сечения образуют примерно квадратное расположение, и причем каждая подгруппа состоит соответственно из каналов той же самой группы.

Изобретение при этом исходит из рассуждения, что катализаторное тело функционирует особенно надежно также при малых затратах на очистку, если опасность механического засорения каналов удерживается малой. Также и катализаторное тело, выполненное для особенно малой опасности засорения каналов, должно обладать высокой каталитической активностью. Как оказалось, особенно пригодным для этого является катализаторное тело, в котором количество каналов на единицу площади лежит в диапазоне от 0,5 до 2,5 см^-2, предпочтительно, от 0,9 до 1,6 см^-2, и каналы которого имеют практически прямоугольную форму поперечного сечения.

Мерой каталитической активности катализаторного тела является так называемое значение АП. Оно определено как соотношение геометрической поверхности катализаторного тела к его пространственному объему. При одинаковом значении АП катализаторное тело, каналы которого имеют примерно прямоугольное обтекаемое поперечное сечение, имеет меньше каналов на единицу площади и тем самым меньше канальных кромок, чем катализаторное тело, поперечное сечение каналов которого является примерно квадратным. Чем меньшим является количество канальных кромок, тем меньше тенденция к механическому засорению каналов, так как летучая пыль собирается предпочтительно в области канальных кромок.

Чтобы удерживать проблемы собственного напряжения при изготовлении сотовых катализаторных тел и связанное с этим образование трещин в процессе изготовления особенно малыми, предпочтительным образом продольные стороны первой группы каналов расположены примерно ортогонально к продольным сторонам второй группы каналов. Кроме того, каналы объединены в подгруппы, причем каждая подгруппа состоит из каналов той же самой группы. Каналы одной подгруппы относительно их поперечного сечения образуют примерно квадратное расположение. Подобное образование подгрупп разрешает особенно простое и гибкое расположение каналов в катализаторном теле. Соседние подгруппы могут при этом - в зависимости от целесообразности - быть присвоенными первой или второй группе каналов. В обоих случаях получается особенно стабильная общая структура. Подобное катализаторное тело выдерживает относительно каждой внешней стороны силы, которые воздействуют в продольном и/или в поперечном направлении.

В предпочтительной форме выполнения изобретения подгруппы объединены в слои. Слои, в которых попеременно расположены подгруппы первой и второй группы каналов, оказываются особенно целесообразными, так как каждый подобным образом выполненный слой является сам по себе особенно нечувствительным к образованию трещин в процессе изготовления.

В альтернативной, предпочтительной форме выполнения все каналы одного слоя принадлежат той же самой группе каналов.

Предпочтительное расположение каналов подобного катализаторного тела получается за счет того, что принадлежащие первой и второй группе каналов слои расположены попеременно.

Катализаторное тело может быть выполнено в качестве катализатора на носителе, в котором носитель покрыт каталитически активным слоем. Предпочтительным образом, однако, катализаторное тело выполнено в виде цельного экструдированного изделия. В этом случае катализаторное тело состоит исключительно из катализаторного материала. Изготовление цельного экструдированного изделия может происходить с помощью экструзионной машины, которая производит формованные изделия из мягкой пластичной массы.

Свободно доступная газу и/или жидкости поверхность каждого канала предпочтительно может содержать материалы диоксид титана (TiO₂) от 70 до 95 вес. %, триоксид вольфрама (WO₃) и/или триоксид молибдена (МоО₃) от 5 до 20 вес.% и пентоксид ванадия (V₂O₅) меньше, чем 5 вес.%. Подобное катализаторное тело предусмотрено предпочтительно в качестве DeNO_x-катализатора.

Достигнутые изобретением преимущества состоят, в частности, в том, что катализаторное тело, каналы которого имеют перпендикулярно к предпочтительному направлению примерно прямоугольное поперечное сечение, при одинаковом значении АП имеет меньшую опасность механического засорения каналов, чем катализаторное тело, каналы которого имеют примерно квадратное поперечное сечение. Катализаторное тело, количество каналов которого лежит в диапазоне от 0,5 до 2,5 см^-2, имеет особенно высокое значение АП и особенно малую опасность механического засорения каналов. Катализаторное тело, таким образом, является особенно пригодным также для использования на электростанциях, работающих на угле. Дымовой газ может при этом иметь нагрузку летучей пылью для полноценного угля от 6 до 20 г на нормальный кубический метр, для забалластированного, несортового угля от 6 до 50 г на нормальный кубический метр. При этом за счет образования подгрупп каналов обеспечивается особенно простое согласование объема катализаторного тела с различными геометрическими формами выполнения, и затраты на изготовление для подобного катализаторного тела удерживаются особенно малыми.

Примеры выполнения изобретения поясняются более подробно с помощью чертежей, которые показывают:
фиг.1 - схематически DeNO_x-катализаторный модульный блок из девяти катализаторных тел,
фиг.2 - в вырезе катализаторное тело согласно фиг.1 в поперечном сечении в первой форме выполнения и
фиг.3 - в вырезе катализаторное тело согласно фиг.1 в поперечном сечении во второй форме выполнения.

DeNO_x-катализаторный модульный блок 2 согласно фиг.1 содержит множество соответственно однотипных катализаторных тел 4, которые расположены в корпусе 6. При этом DeNO_x-катализаторный модульный блок может содержать также больше или меньше катализаторных тел 4, чем это показывает фиг.1. Каждое катализаторное тело 4 содержит множество каналов 8, которые являются обтекаемыми в предпочтительном направлении 10 отходящим газом установки для сжигания и имеют перпендикулярно к предпочтительному направлению 10 примерно прямоугольное поперечное сечение. Каждый канал 8 ограничен продольной стороной 8А и более короткой по сравнению с ней поперечной стороной 8В.

Внешние стенки 14 и 16 соответствующего катализаторного тела 4 имеют соответственно длину 150 мм. Каналы 8 выполнены с такими размерами, что количество каналов на единицу площади находится в диапазоне от 0,5 до 2,5 см^-2. Тем самым количество каналов 8 лежит в диапазоне от 112 до 562 на катализаторное тело 4. Эти каналы 8 в схематичном чертеже фиг.1 не показаны, а только намечены.

Катализаторные тела 4 выполнены соответственно в виде цельного экструдированного изделия и содержат материалы диоксид титана (TiO₂) от 70 до 95 вес. %, триоксид вольфрама (WO₃) и/или триоксид молибдена (МоО₃) от 5 до 20 вес. % и пентоксид ванадия (V₂O₅) меньше, чем 5 вес.%. Альтернативно катализаторное тело 4 может также содержать носитель, который имеет покрытие из вышеуказанных материалов.

Фиг.2 и 3 показывают в вырезе катализаторное тело 4 согласно фиг.1 в поперечном сечении в первой и второй форме выполнения. В обеих формах выполнения каналы 8 подразделены на первую группу 20 и вторую группу 22. Каналы 8 первой группы 20 расположены относительно их продольных сторон 8А под прямым углом к каналам 8 второй группы 22. Группы 20, 22 каналов 8 соответственно содержат подгруппы 24. Подгруппа 24 образована при этом из двух соседних каналов 8 той же самой группы 20, 22. Каналы 8 одной подгруппы образуют при этом относительно их поперечного сечения примерно квадратное расположение. Множество подгрупп 24, в свою очередь, соответственно образует слой 26.

В примере выполнения согласно фиг.2 в каждом слое 26 попеременно расположены подгруппы 24 первой группы 20 каналов 8 и второй группы 22 каналов 8. Продольные стороны 8А каждого канала 8 соответственно имеют длину 11,36 мм, их соответствующие поперечные стороны 8В - длину 5,16 мм. Количество каналов 8 на единицу площади каждого катализаторного тела 4 составляет 1,28 см^-2. Таким образом, каждое катализаторное тело содержит 288 каналов и в свободном обтекаемом поперечном сечении 75% имеет значение АП, равное 423 м²/м³.

В примере выполнения согласно фиг.3 слой 26 выполнен исключительно из каналов 8 одной из групп 20 или, соответственно, 22. Слои 26 расположены попеременно таким образом, что соседние слои 26 не принадлежат той же самой группе 20, 22 каналов 8. Продольные стороны 8А каждого канала 8 катализаторного тела 4 согласно фиг.3 имеют длину 11,59 мм, их соответствующие поперечные стороны 8В - длину 5,39 мм. Каждое катализаторное тело 4 содержит 288 каналов. Тем самым количество каналов 8 на единицу площади составляет 1,28 см^-2. В свободном обтекаемом поперечном сечении 80% каждое катализаторное тело 4 имеет значение АП, равное 435 м²/м³.

Оба примера выполнения катализаторного тела 4 согласно фиг.2 и 3 имеют особенно высокое значение АП и особенно малую опасность механического засорения каналов 8. Поэтому подобные катализаторные тела 4 являются особенно хорошо пригодными для использования при удалении вредных веществ из отходящего газа установки для сжигания. При этом катализаторные тела 4 имеют особенно высокую надежность при только малых затратах на очистку. Кроме того, за счет образования подгрупп каналов 8 обеспечено особенно простое согласование объема соответствующего катализаторного тела 4 с различными геометрическими выполнениями, и затраты на изготовление для отдельных катализаторных тел 4 поддерживаются особенно малыми.

Изобретение относится к области катализа. Катализаторное тело содержит множество обтекаемых в предпочтительном направлении каналов. Каждый канал имеет перпендикулярно к предпочтительному направлению примерно прямоугольное поперечное сечение. Количество каналов на единицу площади лежит в диапазоне от 0,5 до 2,5 см^-2. Продольные стороны первой группы каналов расположены примерно ортогонально к продольным сторонам второй группы каналов. Каналы объединены в подгруппы, причем каналы каждой подгруппы относительно их поперечного сечения образуют примерно квадратное расположение. Изобретение позволяет снизить количество трещин в катализаторе при его изготовлении и повысить эффективность работы катализатора. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Катализаторное тело с множеством обтекаемых в предпочтительном направлении каналов, каждый из которых имеет перпендикулярно к предпочтительному направлению примерно прямоугольное поперечное сечение, определенное продольной стороной и более короткой по сравнению с ней поперечной стороной, причем количество каналов на единицу площади лежит в диапазоне от 0,5 до 2,5 см^-2 и в котором продольные стороны первой группы каналов расположены примерно под прямым углом к продольным сторонам второй группы каналов, отличающееся тем, что каналы объединены в подгруппы, причем каналы каждой подгруппы относительно их поперечного сечения образуют примерно квадратное расположение, и каждая подгруппа состоит соответственно из каналов той же самой группы. 2. Катализаторное тело по п. 1, отличающееся тем, что количество каналов на единицу площади лежит в диапазоне от 0,9 до 1,6 см^-2. 3. Катализаторное тело по п. 1 или 2, отличающееся тем, что подгруппы образуют слои, причем в каждом слое попеременно расположены подгруппы первой группы и второй группы. 4. Катализаторное тело по п. 1 или 2, отличающееся тем, что подгруппы образуют слои, причем все каналы одного слоя принадлежат той же самой группе каналов. 5. Катализаторное тело по п. 4, отличающееся тем, что слои, принадлежащие к первой группе и к второй группе каналов, расположены попеременно. 6. Катализаторное тело по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что оно выполнено в виде цельного экструдированного изделия и содержит материалы диоксид титана (TiO₂) от 70 до 95 вес. %, триоксид вольфрама (WO₃) и/или триоксид молибдена (МоО₃) от 5 до 20 вес. % и пентоксид ванадия (V₂O₅) меньше, чем 5 вес. %. 7. Катализаторное тело по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что оно является частью DeNO_x-катализаторного модульного блока.